CN109562814A - 包括浮体和具有随深度变化的横截面的阻尼板的浮动支承结构 - Google Patents

包括浮体和具有随深度变化的横截面的阻尼板的浮动支承结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及设有主浮体(2)且设有升沉板(3)的浮动支承结构(1)。升沉板(3)包括随着深度变化的截面。此外，升沉板(3)具有比主浮体(2)的水平截面Sc更大的最小水平截面Sd1。

Description

包括浮体和具有随深度变化的横截面的阻尼板的浮动支承 结构
本发明涉及海上浮动支承结构的领域，具体是海上风力涡轮机。
在海上风力涡轮机的情况下，浮动支承结构在露出的部分中对风力涡轮机进行支承，该风力涡轮机由叶片、转子、机舱和紧固到浮动支承件上的塔架构成。这些浮动支承结构可以通过拉紧、半拉紧或悬链锚线锚固到海床。浮动支承的目标是给风力涡轮机提供浮力和稳定性，从而接受施加于其上的应力，而同时限制组件的运动。
许多国家目前正在开发旨在用于安装海上多兆瓦(multi-megawat)级风力涡轮机的各种浮动支承结构。根据所考虑的部位的深度，若干设计选项是可能的。尽管它们具有很大的多样性，但是出现了若干浮动支承结构系列，其中有：
-SPAR(单点锚泊，Single Point Anchor Reservoir)型浮体，其特征在于，细长的几何形状和包括显著的压舱件，从而使整个结构的重心最大程度地降低，并且由此提供稳定性(称为质量稳定性)，
-驳船型浮体，其是非常宽的浅拖曳式支承结构。它们的稳定性通过它们较宽的水(平)面区域来提供(称为形状稳定性)。然而，这种类型的支承结构对于波动极为敏感。
-TLP(张力腿平台，Tension Leg Platform)型支承结构，其具有通过拉紧的缆线系泊到海床的特定特征，提供结构稳定性，
-半潜型浮体，其是由通过提供刚度的臂连接的至少三个浮体构成的支承结构。这些支承结构一般具有低位移和大水平面面积惯性，由此提供了足够的扶正力矩用于其稳定性。此外，这类浮体比起驳船来说对于波动不太敏感(敏感程度小)。
对于所有浮动支承件系列，主要设计要点是稳定性、对于由风力引起的推力的平衡以及对于浮动支承件运动的限制。
为了确保浮动支承件的稳定性和低运动(小运动)，一个解决方案包括在浮动支承结构的浮体处使用升沉板，也被称为阻尼件板或裙部。该升沉板从浮体突出，从而明显地抑制起伏、以及浮动支承件的横摇运动和俯仰运动。
专利申请FR-3,005,698(WO-2014/184,454)描述了一种在用于海上风力涡轮机的浮动支承结构的环境中的、设有升沉板的浮动支承件的这样的示例。在本专利申请的图4和图5中描述的升沉板的主要缺点是，由于它们较小的厚度和它们特定的形状(形成在升沉板的各部分之间的小角度)而没有足够的抵抗力。
为了克服这些缺点，本发明涉及一种设有主浮体且设有升沉板的浮动支承件。升沉板包括随着深度变化的截面，从而从流体动力学的角度来看是有效率的。此外，升沉板具有比主浮体的水平截面大的最小水平截面，这确保了升沉板的抵抗力。
发明内容
本发明涉及包括至少一个主浮体和至少一个升沉板的浮动支承结构，所述升沉板的水平截面的表面积大于所述主浮体的水平截面的表面积Sc，所述升沉板紧固到所述主浮体。所述升沉板包括具有随深度变化的水平截面的至少一个部分，所述升沉板的所述水平截面的最小表面积Sd1严格大于所述主浮体的所述水平截面的所述表面积Sc。
根据本发明的一个实施例，所述升沉板的跨度范围在1至15m之间、优选地在3至10m之间。
有利地，所述升沉板包括至少一个截头锥形。
优选地，在所述截头锥形的锥部的顶点处的半角的范围在15°至60°之间。
根据一实施例，所述升沉板在所述主浮体周界处的厚度大于或等于1.5m。
根据一方面，所述升沉板包括在其周界上均匀地分布的多个凹口和/或突出部。
有利地，所述凹口和/或所述突出部是基本矩形的。
根据一实施方式选项，所述升沉板在其下部部分处包括叶片。
根据一个特征，所述升沉板紧固到所述主浮体的基部。
根据一设计，所述升沉板包括随深度增大的水平截面。
根据替代方案，所述升沉板包括随深度减小的水平截面。
替代地，所述升沉板包括水平截面，其随深度增大、然后减小。
有利地，所述升沉板由钢或混凝土制成。
根据本发明的一实施例，所述升沉板包括基本圆形的、六边形的或正方形的水平截面。
此外，本发明涉及海上风力涡轮机，包括风力涡轮机和根据前述特征之一的浮动支承结构。
附图说明
根据本发明的设备的其它特征和优点将从参照附图、阅读以非限制性示例的方式给出的对实施例的以下描述中变得明了，附图中：
-图1示出根据本发明的第一实施例的浮动支承结构，
-图2示出根据本发明的第二实施例的浮动支承结构，
-图3a至图3c示出根据本发明的第二实施例的三个升沉板定尺寸示例，
-图4示出根据本发明的第三实施例的浮动支承结构，
-图5示出根据本发明的第四实施例的浮动支承结构，
-图6示出根据本发明的第五实施例的浮动支承结构，以及
-图7示出根据本发明的第六实施例的浮动支承结构。
具体实施方式
本发明涉及浮动支承结构。该浮动支承结构可用作为海上风力涡轮机的基座，但是也适于其它领域，诸如海上油开采和海洋能源回收(热能、波能、海流能等)。
该浮动支承结构可以属于SPAR型、驳船型、TLP型或例如三浮体类型的)半潜型(浮体)的系列。
该浮动支承结构包括至少一个主浮体和至少一个升沉板。主浮体提供浮动支承浮力。浮动支承结构可包括彼此连接的一个或多个的主浮体。作为非限制性的示例，主浮体可具有基本细长的形状：高度(在浮动支承件的正常使用情况下沿着垂直轴线)可以等于或大于主浮体的另一水平尺寸。主浮体可具有任何形状，显著地是平行六面体形、(圆)柱形、棱柱形、(圆)锥形、截头锥形等。主浮体的水平截面的表面积由Sc表示。水平截面理解为：当浮动支承件处于使用的“正常”位置中时，例如在没有风推力的情况下，主浮体(或升沉板)由水平面切割出的截面。对于主浮体具有圆柱形状的一个实施例示例，水平截面是圆形的。主浮体可由钢或混凝土制成。为了提供浮力，主浮体可包括填充有空气的内部容积。
根据本发明，升沉板紧固到主浮体。根据浮动支承结构的使用的位置，升沉板具有相对于板的其它尺寸较小的厚度(当浮体处于“正常”位置中时，高度沿着垂直轴线)。根据本发明，升沉板具有随深度变化的水平截面。因此，升沉板包括随深度变化的厚度。此外，升沉板具有由Sd1表示的水平截面的最小表面积，其严格大于主浮体的水平截面的表面积Sc。因此，仅升沉板的周界是可以随着深度变化的，并且升沉板的周界具有较细的端部，即具有减小的厚度的端部。随着最小表面积变化的厚度允许了具有结构上有抵抗力的升沉板以及有助于流体动力学阻尼的较细的端部。
升沉板可由混凝土或金属、显著地是钢制成。升沉板可包括将主浮体连结到升沉板的加强件。尤其当升沉板由金属制成时，可使用这些加强件。这些加强件可以垂直于板，并且具有随着深度变化的厚度。
下文中描述的各个实施例可以结合，从而结合它们的效果。
根据本发明的一个实施例，升沉板可以紧固到主浮体的基部。这种构造使得浮动支承结构的设计简单，同时提供对浮动支承结构良好的阻尼。
替代地，升沉板可紧固于主浮体的任一点。
根据一实施方式选项，浮动支承结构包括单个升沉板。该构造允许促进浮动支承件的设计。
替代地，浮动支承结构可包括紧固在主浮体的不同高度处的多个升沉板，从而使对于浮动支承件的阻尼优化。
根据一实施例，升沉板具有这样的水平截面，其形状与主浮体的水平截面相同，但具有更大的尺寸。换言之，升沉板的水平截面可以与主浮体的水平截面类似。例如，如果主浮体是圆柱形的，则升沉板的水平截面可以是圆形的。根据另一示例，如果主浮体是平行六面体形的，则升沉板的水平截面可以是矩形的。根据第三示例，如果主浮体具有六边形截面，则升沉板的水平截面可以是六边形的。
根据本发明的替代方案，升沉板的形状可以与主浮体的形状不同。例如，主浮体可具有基本圆柱形的形状，而升沉板可具有多边形形状，例如六边形，并且反之亦可。
根据本发明的一实施例，主浮体和升沉板相对于彼此对中。
此外，如果浮动支承结构是多浮体型，例如三浮体型，则可在例如三个浮体的每个浮体的基部处设有升沉板。
根据本发明的一实施例，升沉板水平截面随着深度的变化可以在升沉板的整个高度上是连续的，并且该变化是线性的：升沉板然后可具有基本上截头锥形。根据替代方案，升沉板水平截面随着深度的变化可以在升沉板的整个高度上是连续的，但是该变化不是线性的，例如是凹入的、凸出的等。替代地，截面可以在一定高度上是可变的，然后截面可以是恒定的。根据一种设计，升沉板可具有台阶状的变化(即，由具有不同尺寸的若干板的堆叠构成)。
根据本发明的一种设计，升沉板具有至少截头锥形的部分，从而形成升沉板的水平截面变化。
根据本发明的一实施例，升沉板可具有随着深度增大的水平截面。因此，在浮动支承结构的使用的位置中，升沉板在其基部处具有更大的截面，而在其顶部处具有更小的截面。升沉板因此随着深度而变薄(减小的厚度)。升沉板的水平截面的这一增加允许了产生流体动力学的形状，其有助于对升沉、横摇和俯仰的抑制(阻尼)。该构造实现了实施简单的优点。
在一变型中，升沉板可具有随深度减小的水平截面。因此，在浮动支承结构的使用的位置中，升沉板在其顶部处具有更大的截面并且具有更小的基部。升沉板因此在其顶部处变得更薄(减小的厚度)。升沉板的水平截面的这一减小允许了产生流体动力学的形状，其有助于升沉、横摇和俯仰抑制(阻尼)。
替代地，升沉板的形状可以由两个截头锥形的体积构成，这两个体积的具有更大的表面积的截面并置在其中心处。两个截头的体积优选地具有相同的尺寸。因此，升沉板的水平截面随着深度在第一高度(对应于升沉板的上部部分)上增大，然后其在第二高度(对应于升沉板的下部部分)上随着深度减小。因此，升沉板在其中心处具有更大的截面，而在其基部和顶部处具有更小的截面。这一升沉板设计允许产生流体动力学形状，其有助于升沉、横摇和俯仰抑制(阻尼)。
根据本发明的一实施例，为了确保浮动支承结构的良好的抵抗力，升沉板的跨度可以范围在1至15m之间，优选地在3至10m之间。升沉板的跨度理解为主浮体的周界端部与升沉板的周界端部之间的最小距离。例如，如果主浮体和升沉板是圆柱形的，则跨度对应于主浮体与升沉板之间的半径差异。根据另一示例，如果主浮体和升沉板具有正方形截面，则跨度对应于主浮体与升沉板之间的边长差的一半。这样的跨度确保了相对于主浮体的尺寸的升沉板的最小尺寸，其允许升沉板的抵抗力增大。出于结构性原因，如果主圆柱体自身的半径是较大的(典型地为12m)，则裙部跨度被限制于12m或甚至10m。
根据本发明的一实施例，在升沉板的周界上，升沉板的厚度可以尽可能地小，优选地在1m以下，并且更优选地在0.5m以下。该较小的厚度允许有益于对浮动支承结构的阻尼。
根据非限制性实施方式示例，在升沉板的根端部处，升沉板的厚度或者可能是加强件的厚度可以大于或等于1.5m。换言之，根据另一示例，在主浮体的周界处的升沉板的厚度可以大于或等于1.5m。升沉板根端部的该厚度允许了确保升沉板优化的抵抗力(阻力)。
对于升沉板具有基本上截头锥形的实施例，在所述截头锥形的锥部的顶点处的半角可以范围在15°至60°之间。因此，对升沉板流体动力学进行了优化。
根据一实施方式选项，所述升沉板可包括在其周界上均匀地分布的多个凹口和/或突出部。因此可以增大升沉板的周长，这具有增大涡流发散(脱落/分离)发生的区域的效果，然而不会增大升沉板的表面积。凹口和/或突出部可具有任何形状，尤其是矩形、半圆形、正弦形等。凹口可尤其通过对升沉板进行(机)加工来设置。
根据本发明的一实施例，升沉板可包括从升沉板的基部突出的叶片，优选地是金属的，并且更优选地由钢制成。叶片理解为是在升沉板的整个周界上突出的薄材料片。叶片的厚度可以范围在1至20cm之间，并且其可以是大致5cm。该叶片允许具有足够厚的升沉板，以提供结构抵抗力和具有非常细的端部，从而对阻尼进行优化。
根据一非限制性实施方式示例，叶片可具有0.5m的长度(在升沉板的端部与叶片的端部之间)，5cm的厚度，用于具有12m半径的主浮体和具有21.5m最大半径的升沉板。
根据设计，浮动支承结构可包括永久压舱装置。这些永久压舱装置可以布置在主浮体的基部处、例如在升沉板之上。永久压舱物允许了浮动支承结构的流体静力学平衡。其可以由混凝土、海水或任何较重的固体或液体物质构成。这些各种材料的质量可以进行分布，从而满足静态和动态稳定性标准，并且也减小浮动支承结构的制造成本。
根据一个特征，浮动支承结构可包括至少一个并且优选地是多个动态压舱沉箱(ballast caisson)，根据浮动支承结构的使用的情况，该多个动态压舱沉箱的容积可以进行压舱或卸压舱。在这些沉箱中使用的压舱物可以尤其是海水。这些动态压舱沉箱可以包括在主浮体中，例如在升沉板之上，并且可能地在永久压舱装置之上。动态压舱沉箱允许对浮动支承结构的纵倾角进行修正和调节，并且因此对布置在浮动支承结构上的系统的轴线进行修正和调节。动态压舱沉箱可设置在主浮体内、在其周界部分中。
作为非限制性示例，图1示意地示出根据本发明的第一实施例的浮动支承结构。浮动支承结构1包括具有水平截面Sc的基本圆柱形的主浮体2。浮动支承结构1也包括紧固于主浮体2的基部的升沉板3。升沉板3具有的水平截面严格大于主浮体的水平截面。升沉板3具有上部部分，该上部部分具有基本上截头锥形：水平截面在最小水平截面Sd1与最大水平截面Sd2之间以连续且线性的方式增大。升沉板3具有基本上圆柱形的下部部分：其水平截面恒定地为截面Sd2。
作为非限制性示例，图2示意地示出根据本发明的第二实施例的浮动支承结构。浮动支承结构1包括具有水平截面Sc的基本圆柱形的主浮体2。浮动支承结构1也包括紧固于主浮体2的基部的升沉板3。升沉板3具有的水平截面严格大于主浮体的水平截面。升沉板3具有基本上截头锥形：水平截面在最小水平截面Sd1与最大水平截面Sd2之间以连续且线性的方式增大。
作为非限制性示例，图3a至图3c示意地示出用于本发明的第二实施例的三种升沉板定尺寸。图3a至图3c是浮动支承结构的半截面视图。
对于图3a的变型，升沉板3的高度是1.50m，主浮体2与升沉板3的周界之间的最小距离(在水平平面中，对于水平截面的最小表面积)是8m，而主浮体2与升沉板3的周界之间的最大距离(在水平平面中，对于水平截面的最大表面积)是10m。最大距离对应于升沉板的跨度。
对于图3b的变型，升沉板3的高度是1.50m，主浮体2与升沉板3的周界之间的最小距离(在水平平面中，对于水平截面的最小表面积)是9m，而主浮体2与升沉板3的周界之间的最大距离(在水平平面中，对于水平截面的最小表面积)是10m。最大距离对应于升沉板的跨度。
对于图3c的变型，升沉板3的高度是1.50m，主浮体2与升沉板3的周界之间的最小距离(在水平平面中，对于水平截面的最小表面积)是9.5m，而主浮体2与升沉板3的周界之间的最大距离(在水平平面中，对于水平截面的最小表面积)是10m。最大距离对应于升沉板的跨度。
作为非限制性示例，图4示意地示出根据第三实施例的浮动支承结构。图4是半个浮动支承结构的三维视图。浮动支承件1包括具有水平截面Sc的基本圆柱形的主浮体2。浮动支承件1也包括紧固于主浮体2的基部的升沉板3。在该附图中未示出升沉板的厚度。升沉板3具有的水平截面严格大于主浮体的水平截面。升沉板3具有基本上截头锥形(未示出)：水平截面在最小水平截面Sd1与最大水平截面(未示出)之间以连续且线性的方式增大。此外，升沉板3包括设置在升沉板3的周界上的多个凹口4。凹口4均匀地分布在该周界上。凹口基本具有矩形形状。升沉板3可包括5至30个凹口。
作为非限制性示例，图5示意地示出根据本发明的第四实施例的浮动支承结构。图5是浮动支承结构的半截面视图。浮动支承件1包括基本上圆柱形的主浮体2。浮动支承结构1也包括紧固于主浮体2的基部的升沉板3。升沉板3具有的水平截面严格大于主浮体2的水平截面。升沉板3具有基本上截头锥形：水平截面在上部最小水平截面与下部最大水平截面之间以连续且线性的方式增大。此外，升沉板3包括在升沉板的整个周界上突出的钢叶片5。钢叶片5紧固于升沉板3的基部。
作为非限制性示例，图6示意地示出根据本发明的第五实施例的浮动支承结构。图6是浮动支承结构的截面视图。浮动支承件1包括基本上圆柱形的主浮体2。浮动支承结构1也包括紧固于主浮体2的基部的升沉板3。升沉板3具有的水平截面严格大于主浮体2的水平截面。升沉板3具有基本上截头锥形：水平截面在上部最大水平截面与下部最小水平截面之间以连续且线性的方式减小。
作为非限制性示例，图7示意地示出根据本发明的第六实施例的浮动支承结构。图7是浮动支承结构的截面视图。浮动支承件1包括基本上圆柱形的主浮体2。浮动支承结构1也包括紧固于主浮体2的基部的升沉板3。升沉板3具有的水平截面严格大于主浮体2的水平截面。升沉板3的形状包括两个截头锥形体积，它们具有较大表面积的截面是并置的。两个截头锥形体积优选地具有相同的尺寸。因此，升沉板3的水平截面随着深度在第一高度(对应于升沉板3的上部部分)上增大，然后其在第二高度(对应于升沉板3的下部部分)上随着深度减小。
本发明也涉及在一段水(例如海)上的风力涡轮机设备。该设备包括垂直轴线式或水平轴线式风力涡轮机和根据上述变型组合中的任一种的浮动支承结构。例如，水平轴线式风力涡轮机由叶片、转子、机舱和紧固到浮动支承结构的塔架构成。浮动支承件可以通过拉紧、半拉紧或悬链锚线锚固到海床。浮动支承的目标是给风力涡轮机提供浮力和稳定性，从而接受施加于其上的应力并且平衡由风力所造成的推力，同时限制组件的运动。

Claims (15)

1.一种浮动支承结构(1)，包括至少一个主浮体(2)和至少一个升沉板(3)，所述升沉板的水平截面的表面积大于所述主浮体(2)的水平截面的表面积Sc，所述升沉板(3)紧固到所述主浮体(2)，其特征在于，所述升沉板(3)包括至少一部分，所述至少一部分具有随着深度变化的水平截面，所述升沉板(3)的所述水平截面的最小表面积Sd1严格大于所述主浮体(2)的所述水平截面的所述表面积Sc。
2.如权利要求1所述的支承结构，其特征在于，所述升沉板(3)的跨度范围在1至15m之间，优选地在3至10m之间。
3.如前述权利要求中的任一项所述的支承结构，其特征在于，所述升沉板(3)包括至少一个截头锥形。
4.如权利要求3所述的支承结构，其特征在于，所述截头锥形的锥部的顶点处的半角范围在15°至60°之间。
5.如前述权利要求中的任一项所述的支承结构，其特征在于，所述升沉板(3)在所述主浮体(2)的周界处的厚度大于或等于1.5m。
6.如前述权利要求中的任一项所述的支承结构，其特征在于，所述升沉板(3)包括在其周界上均匀分布的多个凹口(4)和/或突出部。
7.如权利要求6所述的支承结构，其特征在于，所述凹口(4)和/或所述突出部是基本上矩形的。
8.如前述权利要求中的任一项所述的支承结构，其特征在于，所述升沉板(3)在其下部部分中包括叶片(5)。
9.如前述权利要求中的任一项所述的支承结构，其特征在于，所述升沉板(3)紧固到所述主浮体(2)的基部。
10.如前述权利要求中的任一项所述的支承结构，其特征在于，所述升沉板(3)包括随着深度增大的水平截面。
11.如权利要求1至9中的任一项所述的支承结构，其特征在于，所述升沉板(3)包括随着深度减小的水平截面。
12.如权利要求1至9中的任一项所述的支承结构，其特征在于，所述升沉板(3)包括随着深度增大然后减小的水平截面。
13.如前述权利要求中的任一项所述的支承结构，其特征在于，所述升沉板(3)由钢或混凝土制成。
14.如前述权利要求中的任一项所述的支承结构，其特征在于，所述升沉板(3)包括基本上圆形、六边形或正方形的水平截面。
15.一种海上风力涡轮机，包括风力涡轮机和如前述权利要求中的任一项所述的浮动支承结构(1)。
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